TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI, wykład 5 30.10.2014

DYFUZJA

• Zjawisko wymiany masy spowodowane bezładnym ruchem cieplnym cząsteczek, jonów lub atomów

• Operacje, w których następuje samorzutne przemieszczanie się składników, niezależnie od stanu ich skupienia, zachodzące zarówno w układach jednorodnych jak i niejednorodnych

• Zjawisko dyfuzji nie zachodzi w wyniku działania sił i energii mechanicznej, lecz spowodowane jest różnicą stężeń lub różnicą prężności par samoczynne wyrównanie się stężenia roztworu cukru

• W technologii żywności zj. Dyf. Wykorzystywane jest do rozdzielenia składników metodami:

  • Ekstrakcji

  • Destylacji

  • Sorpcji

  • Odwadniania (suszenia)

  • Membranowymi

SORPCJA – zjawisko pochłaniania 1 substancji (sorbat) przez inną (sorbent)

1. Absorpcja (sorpcja wgłębna) – przenikanie masy, pochłanianie substancji całą objętością
   absorpcja gazów przez ciecze

2. Adsorpcja (s. powierzchniowa) – powierzchniowe wiązanie substancji substancją pochłaniającą jest ciało stałe o silnie porowatej powierzchni

   1. Węgiel aktywny – w celu odbarwienia cukru, syropu skrobiowego i hydrolizatorów białkowych

klarowanie i usuwanie niepożądanych zapachów z wina

1. Ziemia bieląca – odbarwianie i odwadnianie surowych olejów roślinnych, usuwanie z nich katalizatora niklowego

2. Żelatyna, agary, skrobie modyfikowane – substancje klarujące, zagęszczające, stabilizujące

1. Desorpcja – zjawisko odwrotne do ab- i adsorpcji

• Szybkość dyfuzji – I PRAWO FICHA

dm/dt = DS dc/ dx [kmol/h]
dc/dx – gradient stężeń składnika c [kmol/m3] na drodze x [m]
dm/dt – szybkość przenoszenia substancji c [kmol/h]
D – współczynnik dyfuzji [m2/h]
F (S) – powierzchnia prostopadła do kierunku x [m2]

EKSTRAKCJA – częściowe/ całkowite rozdzielenie mieszaniny stałej lub ciekłej przy użyciu rozpuszczalnika, w którym składniki mieszaniny mają niejednakową rozpuszczalność

• Otrzymujemy ekstrakt (roztwór składników w rozpuszczalniku) i pozostałość (rafinat) pozbawiony znacznej ilości składnika ekstrahowanego

• Następnie – oddzielenie składnika ekstrahowanego od rozpuszczalnika metodami destylacji, krystalizacji lub innymi
  (nie mówi się ekstrahuje tylko super mężczyźni – taki żart prowadzącego)

• Rafinat stanowi produkt uboczny i może po wysuszeniu być wykorzystywany na inne cele, np. paszowe

• Typy ekstrakcji

  • Ciało stałe – ciecz

  • Ciecz – ciecz

• W technologii największe znaczenie ma ekstrakcja ciało stałe-ciecz

  • Wydzielanie cukru z buraków cukrowych

  • Tłuszczu z nasion roślin oleistych

  • Białek z surowców roślinnych i zwierzęcych

• ŁUGOWANIE – ekstrakcja w odniesieniu do ośrodków stałych, z użyciem wody jako rozpuszczalnika
  wypłukiwanie danej substancji z fazy stałej za pomocą cieczy, np. upłynnianie skał, pozyskiwanie soli kamiennej, chlorku potasu

• Ekstrakcja ciecz-ciecz:

  • Produkcja alkoholu, wina, olejów oraz przy wydzielaniu produktów fermentacji

• Selektywność rozpuszczalnika

  • Zdolność niejednakowo intensywnego rozpuszczenia składników mieszaniny ciekłej lub stałej

• Cechy dobrego rozpuszczalnika:

  • Duża selektywność

  • Gęstość inna niż surowiec

  • Mała rozpuszczalność w surowcu i rafinacie

• SZYBKOŚĆ ekstrakcji

  • wprost proporcjonalna do różnicy stężeń składnika ekstrahowanego w ekstrakcie i rafinacie

  • odwrotnie proporcjonalna do oporu dyfuzyjnego

  • zależy też od kierunku wzajemnego ruchu faz i ich stosunku ilościowego przeciwprądowy przepływ rozpuszczalnika i zwiększenie ilości rozpuszczalnika intensyfikują proces ekstrakcji

• METODY EKSTRAKCJI

  1. MACERACJA

     • Najprostszy z układów c.stałe-ciecz

     • Zalanie rozdrobnionego surowca rozpuszczalnikiem o t.15-20st C na określony czas, a następnie oddzielenie ekstraktu przez sączenie, wyciskanie, odwirowanie

     • Rozpuszczalniki: woda, wodne roztwory soli/alkoholi

     • FORMY MACERACJI: !!!

       • Digestia (wytrawianie) – maceracja w wysokiej temp. 30-40t C

       • Infuzja (naparzanie) – zalanie surowca wrzącą wodą i Ew. krótkotrwałe ogrzewanie

       • Dekokcja (wygotowywanie) – przez dłuższy czas w temp. Powyżej 60 st.C

  2. PERKOLACJA (wypieranie)

     • Rozpuszczalnik przepływa pod wpływem siły ciężkości przez masę surowca

  3. METODA IMMERSYJNA/DYFUZYJNA

     • Surowiec całkowicie zanurzony w rozpuszczalniku będącym w ciągłym przepływie

  4. METODY KOMBINOWANE

     • Łączenie 2 metod ekstrakcji

  5. EKSTRAKCJA WIELOSTOPNIOWA

     • Kilkukrotne przemywanie surowca rozpuszczalnikiem przepływającym w przeciwprądzie

     • Przy takim rozwiązaniu surowiec w początkowej fazie kontaktuje się z ekstraktem, a pod koniec przemywany jest czystym rozpuszczalnikiem

• Zastosowanie ekstrakcji w przemyśle spożywczym:

  • Dyfuzja cukrownicza – wyługiwanie cukru z krajanki buraczanej za pomocą wody

  • Ekstrakcja tłuszczu z roślin nasion oleistych (tłoczenie na zimno, potem ekstrakcja benzyną lekką [heksan] ześrutowanych [zmielonych] wytłoków)

  • Ekstrakcja białek w celu uzyskania izolatów i koncentratów białka i preparatów enzymatycznych

  • Ekstrakcja witamin: Wit C z owoców dzikiej róży, A z marchwi, E z zarodków pszennych

  • Otrzymywanie barwników, substancji aromatycznych, różnych ekstraktów (słodowy, chmielowy, mięsny, drożdżowy, kawowy)

• EKSTRAKCJA NADKRYTYCZNA: !!!

  • Nowoczesna metoda ekstrakcyjna, wykorzystująca jako rozpuszczalnik tzw. Gęste gazy lub …..?, występujące w temp. I pod ciśnieniem wyższym od punktu krytycznego

    • Mają one wł. Fizykochemiczne pomiędzy cieczami i gazami zwiększona zdolność do rozpuszczania

    • Duża gęstość, dyfuzyjność, mała lepkość

    • Cechy te mogą być regulowane w obszarze nadkrytycznym (p i T)

  • Rozpuszczalniki nadkrytyczne są łatwo usuwalne z produktu, co eliminuje potencjalne szkodliwe działanie pozostałości rozpuszczalnika w produkcie

    • CO2 – najpowszechniejszy

    • Ew. etan, etylen, fluorowęglowodory

  • W tym procesie otrzymujemy ekstrakt w postaci pary o wysokiej temp. Oraz ciśnieniu, który może być następnie rozdzielony na składniki przez frakcjowanie, jak w wielokrotnej destylacji

  • Połączenie ekstrakcji z destylacją, stąd inna nazwa => destrakcja

DESTYLACJA – proces rozdzielania mieszaniny ciekłej, która składa się z 2 lub większej liczby lotnych składników, tylko wtedy, gdy różnią się one lotnością beta

• PROSTA

  • Przeprowadzanie cieczy wrzącej w parę, skroplenie pary i skierowanie otrzymanego destylatu do odbieralnika

• Z PARĄ WODNĄ

  • Stosowana podczas destylacji cieczy nierozpuszczalnych w wodzie

  • Polega na wprowadzeniu do kotła z destylowaną cieczą pary wodnej lub wody, dzięki czemu możliwe jest oddestylowanie związku w niższej temperaturze, niż temp wrzenia czystego związku, jeśli jest on lotny z parą wodną

  • Podstawowy proces rozdzielania mieszanin w produkcji olejków eterycznych

• POD NISKIM CIŚNIENIEM

  • Umożliwia niską temp wrzenia mieszaniny cieczy, a tym samym zapobiega rozkładowi składników termo labilnych

• REKTYFIKACJA (DEST. WIELOKROTNA)

  • Jeżeli w skład mieszaniny wchodzi kilka cieczy o zbliżonych temp. Wrzenia, dokładny ich rozdział jest możliwy tylko wtedy, gdy czynność odparowywania i skraplania oparów powtórzymy wielokrotnie

  • Przebiega na kolumnach petryfikacyjnych, najczęściej półkowych, błonkowych, lub na aparatach rotacyjnych spiryt 96%

  • Dzięki przeciwprądowej wymianie między przemieszczającymi się w górę parami destylowanych cieczy, a spadającą w dół cieczą (tzw. Flegmą) następuje wzbogacanie par w składniki bardziej lotne